Motor als Antrieb sowie als Generator

[newton07]

hallo,
Ich habe da ein gefährt mit 4 rädern (Gewicht: prototype ca. 50kg). ein motor soll die räder antreiben aber auch abbremsen. ist es irgendwie möglch durch das abbremsen elektrische energie zu gewinnen die dann zurück in den Hauptakku fliesst? wenn möglich nur mit einem Motor, sprich motor dient als antrieb und generator.

ich dachte ein schritt motor wäre besser und effizienter als ein normaler DC motor, bin ich da richtig der annahme? leider find ich kein schrittmotor regler der bremsenergie zurück in den akku speist.

gruss

[Manf]

Die im Motor induzierte Spannung ist der Geschwindigkeit proportional.
Beim Antreiben wird an die Spannung meistens noch herabsetzen müssen, um nicht immer mit voller Geschwindigkeit zu fahren. Beim Bremsen muss der Motor dann eine Spannung induzieren die einen Strom zurück in den Akku treiben kann.

Da der Motor beim Bremsen üblicherweise nicht schneller ist als beim Antrieb mit maximaler Geschwindigkeit, muss zum Rückspeisen die Spannung erhöht werden. Hierfür wäre ein Spannungswandler einzusetzen der die induzierte Spannung über die Akkuspannung erhöht.

Für ein Fahrzeug mit üblicherweise stark wechselnder Last und Geschwindigkeit ist ein Schrittmotor weniger effizient als ein DC Motor.
Manfred

[newton07]

danke für deine info
demnach werd ich die suche auf DC motoren eingrenzen.
Bis jetzt hatte ich nur mit einfachen reglern - Bipo Leistungs Transistoren.

wenn ich zur rückgewinnung ein spannungswander einsetze , dann denke ich das es einwenig komplizierter wird.

kannst du mir sagen wonach ich suchen soll, hat die art von regler einen namen?
gibts geräte in denen solche regler oft eingesetzt werden? evtl. CMC-Machinen oder Drehbänke? irgend ein anhaltspunkt um zu suchen.

Oder evtl. weist du wo ich anleitungen/Bausätze oder schemas finde?

[newton07]

schwierigkeit denke ich ist es die bremsleitung anzupassen.

je mehr elektrischen widerstand dem motor/generator an den polen
entgegebracht wird, desdo besser ist die bremsleistung. (wenn ich die beiden poldrähte (+,-) direkt miteinander verbinde -> 0Ohm = volle bremsleistung.

das würde doch bedeuten:

Wenn ich den motor direkt an ein spanungswander und dann an die batterie anschliese, dann hab ist die bremsleistung doch von dem innnen wiederstand der batterie abhängig. lehre batterie = viel bremsleistung, halb voll = halbe bremsleistung.

Richig?
wie kann ich also die bremsleistung reguliren?

eine praktische erklährung wäre --> ich kann das gefährt auf eine x-belibige geschwindigkeit bringen (ca. 20km/h : beschleunigung 2m/s2)
als nächstes möchte ich das teil abbremsen auf 10km/h mit beliebiger negativer beschleunigung 1 bis 10m/s2

[avion23]

Bitte korrigieren, wenn ich Quatsch erzähle!
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Das Thema ist ein wenig komplizierter, du musst strukturiert da ran gehen. Um die Energieeffizienz musst du dir erstmal keine Sorgen machen. Erst soll es funktionieren, dann optimieren. Das fahren kannst du dir wegdenken. Im stationären Betrieb kommt noch dazu, dass die Energie nicht verschwinden kann, sondern abgebaut werden muss (Bremswiderstand).

Ich gehe von einem DC-Motor aus. Du brauchst dann eine H-brücke, auch 4-Quadranten-Steller genannt (?). Das alleine ist schon nicht so ohne, weil teilweise hohe Ströme fließen und shoot-througs auftreten können. Was du dann baust ist ein Motorregler. Den DC-Motor kannst du auf eine Spule mit hoher Induktivität und (relativ) niedrigen Sättigungsstrom reduzieren.

Du hast verschiedene Zustände, in denen sich dein Regler befinden kann. In jedem Zustand fährst du sozusagen ein bestimmtes Programm, und dein Motor soll auf eine ganz bestimmte Weise reagieren.

- Vorwärts/Rückwürts 100% Duty Cyle:
Du möchtest ganz normalen Gleichstrom durch die Spule schicken. Dafür schließt du einen mosfet auf der highside und einen auf der lowside. Diese dürften natürlich nicht zur selben Halbbrücke gehören, weil du sonst einen kurzschluss (shoot-throug) produzierst. Du hast zwei Möglichkeiten, dies zu tun. Auf diese Weise kannst du die Richtung umkehren.

- Vorwärts/Rückwärts DC < 100%:
Schon schwieriger :) Im t_on Teil des DC ist alles in Ordnung, es läuft so wie im 100% DC Teil. Wenn du in den t_off Teil des DC wechselst, induziert die Spule eine Spannung. Wenn du die h-brücke mit n-mosfets aufgebaut hast, hast du glück: die freilaufdioden leiten die Spannung ab. Leider sind diese dioden nicht soooo toll, v_f ist ~0.8V. Shottkys paralell zu den Mosfets sind nicht schlecht, dann fallen nur noch 0.3V ab. Wenn das noch zu viel ist, schließt du den entsprechenden Mosfet. Dann fallen ~0V ab, d.h. du praktisch keinen Verlust mehr. Das nennt sich aktiver Freilauf oder synchrone Gleichrichtung. Problem sind die shoot-througs. Du musst eine kurze Zeit zwischen dem umschalten frei lassen. In dieser Zeit fließt der Strom über die Diode, bis zum umschalten. Die mosfets können aber schneller umschalten, wenn V_DS beschränkt ist (Miller?), deswegen wären die shottkys ebenfalls sinnvoll. Beachte, dass die meisten mosfet-treiber mit bootstrapping bleiben, d.h. der DC darf nur im Bereich von ~4% - ~97% sein.

- Bremsen:
Wenn du die beiden lowside mosfets schaltest, legst du beide Anschlüsse der Spule auf Masse. Damit sind die Anschlüsse kurz geschlossen. Jegliche induzierte Spannung (EMF) wird damit kurzgeschlossen und erzeugt damit eine Gegen-EMF. Dadurch wird der Motor gebremst. Ist natürlich nicht ganz so einfach wegen P = I²*R. I wird schnell sehr groß. Damit wird der größte Teil der Energie des Motors, die wegen der Masse sehr groß sein kann, in dem Punkt gewandelt, wo der größte Widerstand ist. Sind das die Mosfets, rauchen diese. Oder die Motorwicklungen. Oder die Anschlüsse...

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Sorry, ich bin bis jetzt nicht wirklich auf deine ursprüngliche Frage eingegangen und habe mich etwas verzettelt. habe auch jetzt keine zeit mehr, dafür aber links :) Was du noch verstehen solltest, ist, dass oft ein zwischenkreis zwischen akku und motor eingebaut wird. dieser zwischenkreis wird an den akku und an den motor jeweils mit h-brücke angebunden. ist die spannung höher als batteriespannung, wird geladen, usw.

http://www.4qdtec.com/bridge.html hat schöne bilder
http://www.4qd.co.uk/fea/regen.html regenerative braking erklärung.
http://www.dprg.org/tutorials/1998-04a/ noch mehr bilder mit erklärungen
http://www.barello.net/Papers/H-Bridge.pdf das selbe + regenerative braking. continous current mode wird angerissen.
http://www.cogs.susx.ac.uk/users/wb23/papers/Evolving_Motors.html geht auf die regelung ein, inkl 3-phase brushless

Bei der google suche hilft es, "-patent" ein zu geben.

[newton07]

zuerst mal viel dank für deine infos und deine zeit.

So weit so gut.

habe die nächsten 2 wochen keine gelegenheit um der sache auf den zahn zu fühlen, denke aber das die richtung stimmt und ich mir auf jedenfall das noch genauer anschauen werde.

Ich hoffe nur das das ganze sowohl im kleinen mit 1 - 12 Volt (1W) funktioniert als auch im grösseren Still so bis ca 10 oder 20kW.

Auf jedenfalls gibts in den weihnachtsferien mal ein versuch am modell.

gruss manuel

[PasstScho]

Hallo,
Ich will mal unauffällig darauf hinweisen, dass es nicht nur Schritt und DC Motoren gibt, die dafür in Frage kommen. Das geht auch mit 3-Phasen Motoren :). Bei BLDC Motoren im Modellbaubereich ist die Rückspeisung wohl eher selten, aber bei AC Servomotoren (PMSM) ist das ab >2kW recht häufig anzutreffen, dass die Endstufen den zurück fließenden Strom wieder ins Netz zurück speisen.
Ich weiß nicht genau wie das bei DC Motoren laufen würde, aber bei den Servos steigt die Zwischenkreisspannung wenn elektronisch gebremst wird.
Das würde ja eigentlich heißen, dass der Motor die Energie direkt zurück in die Batterie speisen könnte oder irre ich?

MfG Alex

[avion23]

@Passtscho

BLDC Motoren sind in dem Bereich natürlich etwas feines. Ich weiß, dass zumindest ein TEil der Controller auch regenerative Braking beherrscht. Ein Brushless controller ist aber "nicht einfach", siehe Threads dazu hier im Forum. Herausgekommen ist nie etwas. Das größte Problem scheint der Start bei großer Last zu sein und niedrige Drehzahlen.

@newton
Naja 1W bis 20kW wird ein frommer Wunsch bleiben. 20kW bedeutet Ströme wie in einem Induktionsofen oder hohe Spannungen.

[PasstScho]

Moin,

Ein Brushless controller ist aber "nicht einfach", siehe Threads dazu hier im Forum. Herausgekommen ist nie etwas. Das größte Problem scheint der Start bei großer Last zu sein und niedrige Drehzahlen.

Kommt noch ;). Solange die IGBTs/Mosfets dem Strom standhalten kann da eigentlich nicht viel schief gehen. Wer niedrige Drehzahlen will muss allerdings tatsächlich deutlich mehr Aufwand betreiben, was sich aber lohnen kann :) .

MfG Alex

[MichaelM]

Hallo,
einen DC-Motor kann man mit einer H-Brücke recht einfach im 4-Quadranten-Betrieb fahren (RL + LL motorisch sowie generatorisch). Dazu muss einem nur die Funktionsweise der PWM-Regelung vertraut sein. Im Motorbetrieb: Der Mosfet schaltet ein, der Strom durch den Motor wird größer, die Spannung teilt sich auf die EMK und die Induktivität auf. Schltet der Mosfet aus polt die Indutivität die Spannung um und der Strom fließt über die Freilaufdiode weiter. Praktisch gesehen also ein Tiefsetzsteller, man sieht nur die Spule nicht. Nun der Bremsbetrieb: Ich Schließe mit den Mosfets den Motor kurz, der Strom steigt, die induzierte Spannung (EMK) liegt in voller Höhe an der Induktivität. Jetzt schaltet man den Mosfet aus, die Spannung an der Induktivität polt sich um, addiert sich zur EMK und der Strom fließt über die Freilaufdiode in den Akku.
Soweit die Kurzform. Über das Tastverhältnis lässt sich die Bremswirkung steuern. Für eine einwandfreie Funktion darf allerdings wie so oft die Pulsfrequenz nicht zu gering sein, bei 1kW sind so 2kHz schon angemessen, kann man aber nicht pauschal sagen. Bei kleinen Motoren wie im Modellbau braucht man eher um die 15 bis 25kHz da die Induktivität sehr gering ist.
Gruß,
Michael

[sigo]

Ich habe mal einen 4-Quadrantenkonverter für 3Ph-und 4Ph BLDC Motoren @ max. 20A, 10 - 60V gebaut, alternativ konnten auch DC-Motore mit kurzzeitig bis zu 30A betrieben werden.. Ein nicht ganz triviales Unterfangen.

Bei drehzahlgeregeltem BLDC-Motor mit 4-Quadrantenregler geht die Schaltung automatisch in den Generatorbetrieb über und erzeugt dann automatisch die nötige Spannung im Zwischenkreis.

Unser Motor wurde mit 48V betrieben. Sobald der Motor in den Generatorbetrieb kam, stieg die Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator (also dem Ladeelko des Netzteils) an und musste natürlich durch Abführen der erzeugten Energie verbraten werden.

Ein Akku würde automatisch geladen werden. Wir musste mit Hilfe eines zusätzlichen MOSFET und einer kleinen Schaltung in einem Widerstand verheizen, da kein Akku vorhanden war. Der Widerstand hat max. bis zu 300W kurzzeitig verbraten, er wurde bei ca. 57V zugeschaltet. (Daher war die max. Nennspannung 48V.

Das passierte z.B. bei vertikalen Linearachsen, wenn das Gewicht (bis 100kg) nach unten fährten und der Widerstand ja letztlich die Potentielle Energie verbraten musste...

Die Schaltung könnte man heute mit den am Markt befindlichen ICs sicher deutlich einfacher machen. Aber solide und bewährt ist sie allemal.

Sigo

ADD:

PWM-Frequenz ca. 15kHz, keine Boostrap-Schaltung, daher 0..100% PWM möglich.

[avion23]

Sigo,
kannst du vielleicht mal deine Schaltung vorstellen?
WEnn das nicht möglich ist zumindest sagen worauf man bei der Entwicklung achten muss? Das Wissen wie man etwas konkret herstellt ist wirklich schwierig zu erwerben :/

[sigo]

Sigo,
kannst du vielleicht mal deine Schaltung vorstellen?
WEnn das nicht möglich ist zumindest sagen worauf man bei der Entwicklung achten muss? Das Wissen wie man etwas konkret herstellt ist wirklich schwierig zu erwerben :/

OK, ich such das mal raus. Ist leider nur noch auf einer Back-UP-CD seit ich den neuen PC-habe..
:-b

Heute würde ich das natürlich teilweise anders realisieren. Auszüge der Schaltung sind aber skicher nützlich.

Worauf achten kann ich schon jetzt sagen:

Überspannung an den Gates tunlichst vermeiden, auch kurzzeitig (kommt leider bei hohen Strömen durch parasitäre Effekte vor, muss verhindert werden)

Überspannung der Drain-Source-Voltage durch Induktionsspitzen vermeiden, Absolutes Minimum ist 2x max. Versorungsspannung + Sicherheit. Für Umax = 60V haben wir 200V FETS genommen

Shoot-Trough vermeiden, d.h. oberer und unterer MOSFET dürfen NIE gleichzeitig leiten. Logisch aber dennoch sehr wichtig. Wir haben eine Austastlücke von ca. 1µs vorgesehen, wenn ich mich recht erinnere.

Zwischenkreisspannung begrenzen (bei Akku und sicheren Kontakten nicht nötig)

Schnelle Spitzenstrombegrenzung, möglichst verlustarm

Möglichst noch eine I²t Strombegrenzen oder zumindest eine träge Stromregelung für den Nennstrom, die einen kurzzeitigen Überstrom erlaubt

Die interne, meist zu lahme Diode in den MOSFETs durch externe schnelle Schottky-Dioden überbrücken

Die Ansteuerung der MOSFETs muss schnell erfolgen aber auch nicht zu schnell (wegen EMV etc). --> MOSFET-Treiber verwenden. Wir haben mit Rise- und Falltime von ca. 0,2µs gearbeitet.

MOSFETS mit niedrigem RDson nehmen

Für max. Effizienz für die oberen MOSFETs auch N-Kanal nehmen, da ca. 2-3mal kleinerer RDson

PWM-Frequenz hoch genug wählen, damit 1. nicht hörbar, 2. Im Falle einer Blockade des Motors die Induktivität des Motors noch den max. Strom begrenzt.

PWM-Frequenz nicht zu hoch, damit keine unnötigen Schaltverluste auftreten

Temperaturfühler mit Abschaltung am Kühlkörper der MOSFETs, falls es um Leistungen geht

Überstromabschaltung bei I²t
Übertemperaturabschaltung
Überspannungsabschaltung

Enable der Endstufe sollte möglich sein

Just a few topics :-b O:)

Mit DC-Motor ist das Leben natürlich etwas leichter, ab vom Prinzip her sind die selben Punkte zu beachten. Wenn du nur vorwärts fahren möchtest, kannst du auch mit einer 2-Quadrantenendstufe arbeiten. Die kann Antreiben und Bremsen, aber nur in einer Richtung.

Sigo.

[sigo]

Kommt noch ;). Solange die IGBTs/Mosfets dem Strom standhalten kann da eigentlich nicht viel schief gehen.
MfG Alex

Die Extremsituationen machen die Sache spannend, nicht der Normalbetrieb.

[PasstScho]

Hi Sigo,



Die Extremsituationen machen die Sache spannend, nicht der Normalbetrieb

Das stimmt, aber ist dank den neuen ICs auch ein bisschen langweiliger geworden in meinem Bereich (Hohe Spannung, kleiner Strom ~1kW). Kurzschlussicherung haben viele ICs schon drinnen. Deadtime ist auch schon in den MOSFET Treibern integriert. Viel bleibt nicht übrig ;).

MfG Alex

[sigo]

Hi Sigo,



Die Extremsituationen machen die Sache spannend, nicht der Normalbetrieb

Das stimmt, aber ist dank den neuen ICs auch ein bisschen langweiliger geworden in meinem Bereich (Hohe Spannung, kleiner Strom ~1kW). Kurzschlussicherung haben viele ICs schon drinnen. Deadtime ist auch schon in den MOSFET Treibern integriert. Viel bleibt nicht übrig ;).

MfG Alex

Dem stimme ich voll zu.
Die Endstufe hatten wir ca. 1988 entwickelt.
Da gabs weder google, noch so tolle Treiber, mit Lebensversicherung für die MOSFETs. Und auch die MOSFETs waren noch sensibler als heute.
Die IR2184-Treiber von International Rectifier (sehr zu empfehlen) und andere gabs leider noch nicht. Naja, gelernt haben wir jedenfalls ne Menge und die Endstufe sind hatten sich im Industrieeinsatz voll bewährt.

Von daher wird der Schaltplan auch wenig nützen. Ich hab grad mal versucht, das alte Orcad zu starten. Das hat aber offenbar den Umzug auf Windows XP nicht überstanden, es startet nicht. Hmm.

Sigo

[PasstScho]

Hi Sigo,
Von den IR2184 habe ich auch gehört. Ich nutze gerne den IR2130, der hat zwar weniger power, dafür aber drei Phasen und mit einen Stromsensor-Opamp mit drinnen. Ist dem IR2184 sonst recht ähnlich :).

MfG Alex